Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В математике , то функция распределения простых чисел является функцией подсчета количества простых чисел меньше или равно некоторому вещественного числа х . [1] [2] Обозначается π ( x ) (не связано с числом π ).

Значения π ( n ) для первых 60 натуральных чисел

История [ править ]

Большой интерес в теории чисел представляет скорость роста функции счета простых чисел . [3] [4] Было высказано предположение , в конце 18 - го века Гаусса и Лежандра , чтобы быть приблизительно

в том смысле, что

Это утверждение является теоремой о простых числах . Эквивалентное утверждение

где li - логарифмическая интегральная функция. Теорема о простых числах была впервые доказана в 1896 году Жаком Адамаром и Шарлем де ла Валле Пуссеном независимо друг от друга с использованием свойств дзета-функции Римана, введенной Риманом в 1859 году. Были найдены доказательства теоремы о простых числах без использования дзета-функции или комплексного анализа. около 1948 года Атле Сельберг и Пол Эрдёш (по большей части независимо). [5]

В 1899 г. де ла Валле Пуссен доказал, что (см. Также теорему 23 из [6] )

для некоторой положительной постоянной a . Здесь O (...) является большим O нотации .

Теперь известны более точные оценки . Например, в 2002 году Кевин Форд доказал, что [7]

.

В 2016 году Тим Труджян доказал явную верхнюю границу разницы между и :

для . [8]

Для большинства интересующих нас значений (т. Е. Когда оно не является необоснованно большим) больше, чем . Однако известно, что он меняет знак бесконечно много раз. Для обсуждения этого см. Число Скьюза .


Точная форма [ править ]

Крайне важно, что Бернхард Риман доказал, что функция подсчета простых чисел в точности равна [9]

куда

,

μ ( n ) - функция Мёбиуса , li ( x ) - логарифмическая интегральная функция , ρ индексирует каждый нуль дзета-функции Римана , а li ( x ρ / n ) не вычисляется с разрезом ветви, а вместо этого рассматривается как Ei (ρ/пln x ), где Ei ( x ) - экспоненциальный интеграл . Эквивалентно, если тривиальные нули собраны и сумма берется только над нетривиальных нулей р о дзета - функции Римана , то π ( х ) может быть записано

.

Гипотеза Римана предполагает, что каждый такой нетривиальный нуль лежит вдоль Re ( s ) =1/2.

Таблица π ( x ), x / ln x и li ( x ) [ править ]

В таблице показано, как три функции π ( x ), x / ln x и li ( x ) сравниваются при степенях 10. См. Также [3] [10] [11] и [12]

График, показывающий отношение функции подсчета простых чисел π ( x ) к двум ее приближениям, x / ln x и Li ( x ). По мере увеличения x (обратите внимание, что ось x является логарифмической), оба отношения стремятся к 1. Отношение для x / ln x сходится сверху очень медленно, в то время как отношение для Li ( x ) сходится быстрее снизу.

В On-Line Энциклопедии целочисленных последовательностей , то π ( х столбец) последовательность OEIS :  A006880 , π ( х ) - х / перли й есть последовательность OEISA057835 , и Ли ( х ) - π ( х ) является последовательность OEISA057752 .

Значение π (10 24 ) было первоначально вычислено Дж. Бете, Дж. Франке , А. Йостом и Т. Кляйнджунгом в предположении гипотезы Римана . [13] Позже это было безоговорочно подтверждено расчетами DJ Platt. [14] Значение π (10 25 ) принадлежит Дж. Бете, Дж. Франке , А. Йосту и Т. Кляйнджунгу. [15] Значение π (10 26 ) было вычислено DB Staple. [16] Все предыдущие записи в этой таблице также были проверены в рамках этой работы.

Значение 10 27 было опубликовано в 2015 году Дэвидом Боугом и Ким Валиш. [17]

Алгоритмы вычисления π ( x ) [ править ]

Простой способ найти , если оно не слишком велико, - использовать сито Эратосфена для получения простых чисел, меньших или равных, а затем их подсчета.

Более сложный способ поиска принадлежит Лежандру (с использованием принципа включения-исключения ): если даны различные простые числа, то количество целых чисел, меньших или равных которым делятся на нет, равно

(где обозначает функцию пола ). Следовательно, это число равно

когда числа являются простыми числами, меньшими или равными квадратному корню из .

Алгоритм Мейселя – Лемера [ править ]

В серии статей, опубликованных между 1870 и 1885 годами, Эрнст Мейсель описал (и использовал) практический комбинаторный способ оценки . Позвольте ,  быть первыми простыми числами и обозначать количество натуральных чисел не больше, чем которые делятся на нет . потом

Учитывая натуральное число , если и если , то

Используя этот подход, Мейсель вычислил для равных 5 × 10 5 , 10 6 , 10 7 и 10 8 .

В 1959 году Деррик Генри Лемер расширил и упростил метод Мейселя. Определите для действительных и натуральных чисел и , как количество чисел не больше m с ровно k простыми множителями, все больше чем . Кроме того, set . потом

где на самом деле сумма имеет лишь конечное число ненулевых членов. Позвольте обозначить целое число такое, что и установить . Тогда и при  ≥ 3. Следовательно,

Вычисление может быть получено следующим образом:

,

где сумма берется по простым числам.

С другой стороны, вычисление может быть выполнено с использованием следующих правил:

Используя свой метод и IBM 701 , Лемер смог вычислить .

Дальнейшие усовершенствования этого метода внесли Лагариас, Миллер, Одлыжко, Делеглиз и Риват. [18]

Другие функции подсчета простых чисел [ править ]

Также используются другие функции подсчета простых чисел, поскольку с ними более удобно работать. Одна из них - функция счета простых чисел Римана, обычно обозначаемая как или . Он имеет скачки 1 / n для простых степеней p n , при этом он принимает значение посередине между двумя сторонами на разрывах. Эта дополнительная деталь используется, потому что тогда функция может быть определена с помощью обратного преобразования Меллина . Формально мы можем определить как

где p простое число.

Мы также можем написать

где - функция фон Мангольдта, а

Тогда формула обращения Мёбиуса дает

Зная зависимость между логарифмом дзета - функции Римана и функции Мангольдта , и используя формулу перроновское мы имеем

Функция Чебышева взвешивает простые числа или степени простых чисел p n на ln ( p ):

Формулы для функций счета простых чисел [ править ]

Формулы для функций, считающих простые числа, бывают двух видов: арифметические формулы и аналитические формулы. Аналитические формулы для подсчета простых чисел были впервые использованы для доказательства теоремы о простых числах . Они происходят из работ Римана и фон Мангольдта и обычно известны как явные формулы . [19]

Имеем следующее выражение для ψ :

куда

Здесь ρ - нули дзета-функции Римана в критической полосе, где действительная часть ρ находится между нулем и единицей. Формула действительна для значений x больше единицы, что является интересующей областью. Сумма по корням условно сходится, и ее следует брать в порядке увеличения абсолютного значения мнимой части. Обратите внимание, что та же сумма по тривиальным корням дает последнее вычитаемое в формуле.

Поскольку у нас есть более сложная формула

Явная формула Римана с использованием первых 200 нетривиальных нулей дзета-функции

Опять же, формула верна для x > 1, в то время как ρ - нетривиальные нули дзета-функции, упорядоченные в соответствии с их абсолютным значением, и, опять же, последний интеграл, взятый со знаком минус, представляет собой ту же сумму, но по тривиальные нули. Первый член li ( x ) - обычная логарифмическая интегральная функция ; выражение Li ( х ρ ) во втором члене следует рассматривать как Ei (ρ пер  й ), где Е представляет собой аналитическое продолжение в экспоненциальной интегральной функции от отрицательных чисел на комплексную плоскость с разрезом вдоль ветви положительных чисел.

Таким образом, формула обращения Мёбиуса дает [20]

справедливо для x > 1, где

- R-функция Римана [21], а μ ( n ) - функция Мёбиуса . Последняя серия известна как серия Грама . [22] [23] Потому что для всех этот ряд сходится для всех положительных x по сравнению с рядом для .

Δ-функция (красная линия) в логарифмической шкале

Сумма по нетривиальным дзета-нулям в формуле для описывает флуктуации, в то время как остальные члены дают «гладкую» часть функции подсчета простых чисел [24], поэтому можно использовать

как лучшая оценка для x > 1.

Амплитуда "зашумленной" части эвристически близка, поэтому флуктуации распределения простых чисел могут быть четко представлены с помощью Δ-функции:

Доступна обширная таблица значений Δ ( x ). [11]

Неравенства [ править ]

Вот несколько полезных неравенств для π ( x ).

для x ≥ 17.

Левое неравенство выполняется при x ≥ 17, а правое неравенство выполняется при x> 1. Константа 1,25506 имеет 5 знаков после запятой, как и ее максимальное значение при x = 113. [25]

Пьер Дюзар доказал в 2010 году:

для , и
для . [26]

Вот несколько неравенств для n- го простого числа p n . Верхняя граница получена Россером (1941) [27], нижняя - Дусартом (1999): [28]

для n ≥ 6.

Левое неравенство выполняется при n ≥ 2, а правое - при n ≥ 6.

Приближение n- го простого числа:

Рамануджан [29] доказал, что неравенство

выполняется для всех достаточно больших значений .

В, [26] Dusart доказано (предложение 6.6) , что для ,

,

и (предложение 6.7) , что для ,

.

Совсем недавно, Dusart [30] доказал (теорема 5.1) , что для ,

,

и что, для ,

.

Гипотеза Римана [ править ]

Гипотеза Римана эквивалентна гораздо более жесткому ограничению ошибки в оценке и, следовательно, более регулярному распределению простых чисел,

В частности, [31]

См. Также [ править ]

  • Константа Фояса
  • Постулат Бертрана
  • Гипотеза Оппермана
  • Рамануджан премьер

Ссылки [ править ]

  1. ^ Бах, Эрик; Шаллит, Джеффри (1996). Алгоритмическая теория чисел . MIT Press. том 1 стр. 234 раздел 8.8. ISBN 0-262-02405-5.
  2. ^ Вайсштейн, Эрик В. "Функция подсчета простых чисел" . MathWorld .
  3. ^ a b "Сколько здесь простых чисел?" . Крис К. Колдуэлл . Проверено 2 декабря 2008 .
  4. ^ Диксон, Леонард Юджин (2005). История теории чисел, Vol. I: Делимость и первичность . Dover Publications. ISBN 0-486-44232-2.
  5. ^ Ирландия, Кеннет; Розен, Майкл (1998). Классическое введение в современную теорию чисел (второе изд.). Springer. ISBN 0-387-97329-X.
  6. AE Ingham (2000). Распределение простых чисел . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-39789-8.
  7. Кевин Форд (ноябрь 2002 г.). "Интеграл Виноградова и оценки для дзета-функции Римана" (PDF) . Proc. Лондонская математика. Soc . 85 (3): 565–633. arXiv : 1910.08209 . DOI : 10.1112 / S0024611502013655 . S2CID 121144007 .  
  8. ^ Тим Трудгиан (февраль 2016 г.). «Обновление члена ошибки в теореме о простых числах». Рамануджан Журнал . 39 (2): 225–234. arXiv : 1401.2689 . DOI : 10.1007 / s11139-014-9656-6 . S2CID 11013503 . 
  9. ^ "Колебания функции счета простых чисел pi (x)" . www.primefan.ru . Дата обращения 17 мая 2019 .
  10. ^ "Таблицы значений пи (х) и пи2 (х)" . Томас Оливейра и Сильва . Проверено 14 сентября 2008 .
  11. ^ a b «Значения π ( x ) и Δ ( x ) для различных значений  x » . Андрей Валерьевич Кульша . Проверено 14 сентября 2008 .
  12. ^ "Таблица значений пи (х)" . Ксавье Гурдон, Паскаль Себа, Патрик Демишель . Проверено 14 сентября 2008 .
  13. ^ «Условное вычисление числа пи (10 24 . Крис К. Колдуэлл . Проверено 3 августа 2010 .
  14. ^ Платт, Дэвид Дж. (2012). «Вычисление π ( x ) аналитически)». arXiv : 1203,5712 [ math.NT ].
  15. ^ "Сколько простых чисел есть?" . J. Buethe . Проверено 1 сентября 2015 .
  16. Перейти ↑ Staple, Douglas (19 августа 2015 г.). Комбинаторный алгоритм вычисления pi (x) (Диссертация). Университет Далхаузи . Проверено 1 сентября 2015 .
  17. ^ Walisch, Ким (6 сентября 2015). «Новая подтвержденная запись функции подсчета простых чисел числа пи (10 ^ 27)» . Форум Мерсенна .
  18. ^ Марк Делеглиз; Джоэл Риват (январь 1996 г.). «Вычисление π ( x ): метод Мейселя, Лемера, Лагариаса, Миллера, Одлызко» (PDF) . Математика вычислений . 65 (213): 235–245. DOI : 10.1090 / S0025-5718-96-00674-6 .
  19. ^ Titchmarsh, EC (1960). Теория функций, 2-е изд . Издательство Оксфордского университета.
  20. ^ Ризель, Ганс ; Гёль, Гуннар (1970). «Некоторые вычисления, связанные с формулой простых чисел Римана». Математика вычислений . Американское математическое общество. 24 (112): 969–983. DOI : 10.2307 / 2004630 . ISSN 0025-5718 . JSTOR 2004 630 . Руководство по ремонту 0277489 .   
  21. ^ Вайсштейн, Эрик В. "Функция счета простых чисел Римана" . MathWorld .
  22. ^ Ризель, Ганс (1994). Простые числа и компьютерные методы факторизации . Успехи в математике. 126 (2-е изд.). Birkhäuser. С. 50–51. ISBN 0-8176-3743-5.
  23. ^ Weisstein, Эрик В. "Серия Грамм" . MathWorld .
  24. ^ "Кодирование простого распределения дзета-нулями" . Мэтью Уоткинс . Проверено 14 сентября 2008 .
  25. ^ Россер, Дж. Баркли ; Шенфельд, Лоуэлл (1962). «Приближенные формулы для некоторых функций от простых чисел» . Иллинойс J. Math . 6 : 64–94. DOI : 10.1215 / IJM / 1255631807 . ISSN 0019-2082 . Zbl 0122.05001 .  
  26. ^ a b Дюзар, Пьер (2 февраля 2010 г.). «Оценки некоторых функций над простыми числами без RH». arXiv : 1002.0442v1 [ math.NT ].
  27. ^ Россер, Баркли (1941). «Явные оценки некоторых функций от простых чисел». Американский журнал математики . 63 (1): 211–232. DOI : 10.2307 / 2371291 . JSTOR 2371291 . 
  28. ^ Dusart, Пьер (1999). «K-е простое число больше k (lnk + lnlnk-1) для k> = 2» . Математика вычислений . 68 (225): 411–415. DOI : 10.1090 / S0025-5718-99-01037-6 .
  29. ^ Берндт, Брюс С. (2012-12-06). Записные книжки Рамануджана, часть IV . Springer Science & Business Media. С. 112–113. ISBN 9781461269328.
  30. ^ Dusart, Пьер (январь 2018). «Явные оценки некоторых функций над простыми числами». Рамануджан Журнал . 45 (1): 225–234. DOI : 10.1007 / s11139-016-9839-4 . S2CID 125120533 . 
  31. ^ Schoenfeld, Лоуэлл (1976). «Более точные оценки для функций Чебышева θ ( x ) и ψ ( x ). II». Математика вычислений . Американское математическое общество. 30 (134): 337–360. DOI : 10.2307 / 2005976 . ISSN 0025-5718 . JSTOR 2005976 . Руководство по ремонту 0457374 .   

Внешние ссылки [ править ]

  • Крис Колдуэлл, The Nth Prime Page на Prime Pages .
  • Томас Оливейра и Силва, Таблицы функций, считающих простые числа .